《换热器内管壁厚超声测定系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《换热器内管壁厚超声测定系统.pdf（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、换热器内管壁厚超声测定系统 田 浩 于石声 (哈尔滨工业大学,哈尔滨 150001) 摘 要 研制的HY2188换热器内管壁厚超声测定仪可对换热器内管因腐蚀等导致管壁减薄 状态进行统计评价。介绍了该系统的软、 硬件组成及其测试分析方法,给出了部分测试结果。 主题词 换热器 管 超声测厚仪 频谱分析 AN ULTRASONIC THICKNESSM EASURING SYSTEM FOR HEAT-EXCHANGER PIPES Tian Hao Yu Shisheng (Haerbin Institute of Technology) Abstract HY2188 ultrasonic th
2、icknessmeasuring system for heat2exchanger pipes developed can be used for statistically evaluating the wall thickness reduction of a heat2exchanger pipe caused by erosion.The software, hardware and measuring method of the system are introduced. A nd some measuring results are given. Keywords Heat2e
3、xchanger Pipe U ltrasonic thickness gauge Spectral analysis 换热器是能源电力和石油化工等企业必不可少 的重要设备之一。其损坏主要是因换热器内管的腐 蚀,为确保装置安全、 稳定、 持续运行,检查换热器内 管的腐蚀情况是很有必要的。 换热器内管腐蚀检测技术难度较大,主要是由 于 换热器内管长度长、 直径小,大多数是长度为6 12m、 外径为 1925mm的碳钢管,增加了内管 检测传感器结构设计的难度。 被腐蚀的换热器内 管内外表面很粗糙,信号处理方法要求具有很高的 抗噪能力。 换热管数量很大,一台小型换热器内 也有数百根,因此速度应能满足
4、实时检测的要求。 由北京燕山石化和哈尔滨工业大学联合研制的 HY2188换热器内管壁厚超声测定仪是一台便携式 全数字化超声波测定设备,用于对各种规格换热器 内管进行壁厚测定,评价其腐蚀减薄程度。 该仪器已 通过中国石化总公司组织的科研成果鉴定。 1 系统总体方案 整个系统(图 1) 分成测控仪器和水枪传感器两 大部分,从功能上可具体分为传感器、 送线机构、 水 枪、 超声波发射和接收装置、 数据采集卡、 时序控制 卡、 信号分析卡、 微机和软件系统九个主要部分。 图1 仪器系统框图 2 硬件组成 2. 1 传感器 在线换热管的壁厚只能从管内进行测量,本研 究采取超声波水浸式测厚。 检测时管内通
5、以水流,将 超声传感器插入管内,使超声束垂直入射管壁,为了 获得整根内管的全部厚度值,使超声束沿垂直内管 的中心轴线方向螺旋线式前进。参考国际相关技术 研制的超声传感器如图2所示。 传感器主要由超声波聚焦换能器、 壳体、45 声 反射镜、 叶轮、 轴承和支撑弹簧片构成。超声波换能 器采用高频宽带换能器,中心频率10M Hz,带有焦 点于被测管壁的聚焦透镜,后接15m长同轴屏蔽电 缆;壳体上加工有水流导向槽以增加叶轮转动效率; 145 第22卷第12期 2000年12月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 12 Dec. 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfa
6、ng Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图2 传感器结构图 整个传感器在水流冲击下沿内管中心轴线前进,从 超声聚焦探头发射的超声脉冲经45 反射镜反射后 沿内管的半径方向垂直入射管壁,经壁内外表面多 次反射的回波沿原路返回,被超声换能器接收。 叶轮 在水流作用下带动45 声反射镜旋转,使发射和接 收声束沿被测管作螺旋线式扫查。弹簧支持架的作 用是保持传感器的中心轴线尽可能和内管中心轴线 重合。 2. 2 送线机构 由手柄利用主从滑轮摩擦力手控收放导线,在 15m长导线的收放过程中具有盒内导线不打结
7、、 与 仪器连接端不扭转的特点(图 3) 。 图3 水枪送线机构结构图 2. 3 水枪 可由水枪扳机开关水流并控制水流压力,使传 感器进入稳定运转状态(图 3) 。 2. 4 超声波发射和接收装置 超声波发射接收装置由通用CTS223型超声波 探伤仪的发射接收板改装成,换能器触发脉冲由时 序控制电路提供,双极性输出信号经适配进入A?D 模拟输入端,检波输出信号提供给时序电路跟踪内 表面回波,放大电路增益在080dB范围内可调。 2. 5 数据采集卡 用中科院物理所研制的PC总线式高速数据采 集卡直接插入微机扩展槽,数据采集为8bit, 50M Hz 实时方式,由时序电路控制其触发。 2. 6
8、时基控制卡 由软件程控发射触发脉冲至超声波脉冲发射电 路,并由接收电路提供的内表面回波信号控制A?D 触发,实现采样起点动态跟踪回波信号的要求。 2. 7 信号分析卡 为保证检测的实时性,系统安装了由中科院声 学所提供的A T总线高速数字信号处理卡,它具有 浮点快速傅里叶变换(FFT)和复数求模等功能,对 1 024点复数FFT运算速度可高达0. 5m s? 次。 2. 8 微机系统 采用了486CX?33工业仪器计算机, 23cm (9in ) V GA彩显与主机一体,配有标准键盘以及并、 串型 接口各一个,主板六个扩展槽现已直接安装了A?D 卡、FFT卡和时序控制卡。 3 测厚原理 理想情
9、况下或测试条件较好时,超声测厚可采 用换热管内外表面反射回波的时间间隔测量法1。 研制的换热器内管壁厚超声测定仪的超声传感器在 内管水流的冲击下高速旋转和轴向运动,由于钢水 界面的声反射率很高、 管内壁粗糙,传感器与被测管 难以保证严格同轴以及水流中微小气泡和颗粒的散 射等原因,实际接收的回波信号信噪比不高、 幅度变 化较大,难以直接由时域信号脉冲间隔测量厚度。 超声束在管壁中的多次反射产生的回波具有严 格的重复性,其频域特征表现为在管壁两表面间超 声波谐振的频率处出现共振峰值2, 3,利用这些峰值 计算厚度,其结果的分辨力有显著的提高,且对时域 噪声的敏感性也大大降低。 因此,本研究采用频谱
10、测 厚方案4。 4 软件设计 系统支持软件使用Borland C+ +开发环境编 程设计,将检测、 统计分析和数据库管理功能集成在 一个软件包内,采用独立于系统的全汉化人机界面, 实现了检测分析的统一管理,具有数据采集、 时序控 制和FFT三部分电路控制与数据传递,以及厚度计 算、 结果分析、 数据管理及测试报告打印等功能。具 体操作步骤如下: (1)参数设置 设置待测换热器基本参数,填 写检验员和检验日期等信息。 (2)开始检测 该项功能由设备定标、 厚度检 测和结果存盘三个子功能组成。 (a)设备定标 调节仪器上的增益旋钮至波形 处于较理想的位置,完成定标,进入厚度检测状态。 (b)厚度检
11、测 本项功能获得被测管的每米段 245 田 浩等:换热器内管壁厚超声测定系统 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 及总体的不同厚度百分比分布结果。 检测时,超声传 感器在内管水流作用下螺旋前进。由高速数据采集 卡实时采集超声回波信号,与此同时,信号分析卡完 成上一次采集信号的分析计算,得到厚度结果,从而 达到实时检测的目的。 (c)数据存盘 将被测管数据结果存入硬盘, 同时建立该管的数据库索引项,以备后期检索。 (3)读取数据 由索引文件搜寻欲
12、读数据并登 记,按索引的位置从数据库中读取该组数据。 (4)统计分析 将检测结果或读取的数据结果 以直方图、 饼图和按概率排序的厚度分布表同屏显 示,测厚范围为1. 03. 0mm ,步距0. 2mm。 (5)数据打印 将检测结果或读取数据结果按 标准测试报告格式打印。 5 测试结果及其分析 利用HY2188换热器内管壁厚超声测定仪对用 实际使用的换热管加工的试管进行了检测试验以验 证仪器的准确性(见附表1, 2号试管 ), 并在北京燕 山石化对在役换热器进行了现场试验以测试实际检 测的有效性(见附表3, 4号试管)。 附表 14号试管试验结果 编 号 标称厚 度?mm 试管类型检测方式统计结
13、果 10. 8 内、 外表面都加 工 轴向定位、 圆周 扫查 0. 8mm: 100% 22. 0 内、 外表面腐蚀 状态 轴向定位、 圆周 扫查 1. 8mm: 30% 2. 0mm: 70% 31. 0 外表面加工,内 表面腐蚀状态 轴向定位、 圆周 扫查 0. 8mm: 19% 1. 0mm: 81% 42. 0 4m 实际换热 管,无严重腐蚀 实测方式、 螺旋 线扫查 1. 8mm: 7% 2. 0mm: 62. 3% 2. 2mm: 30. 7% 5. 1 检测精度分析 实验中所用的13号试管全部由实际换热管 加工,由于原管材存在一定的椭圆度、 偏心度以及再 加工误差,使试管各点的厚
14、度难以保证与标称值完 全一致,整体厚度也与标称值相比存在或大或小的 偏差。 1号试管由于内、 外表面都进行了加工处理,各 点管壁厚度值偏差较小,多次重复实验结果的壁厚 分布均在0. 70. 9mm之间(以0. 2mm为步距统 计, 0. 8mm项占100% ); 2号试管未经加工,原管材 实际厚度值与标称值的偏差较大,多次测试结果一 致,统计结果以在2. 0mm项为主,在1. 8mm项有 约30%的分布。 对各种不同厚度试管进行多次重复测试,结果 的一致性较好,根据上述分析,该仪器的测厚误差 0. 1mm。 5. 2 检测分辨力分析 在对1号薄壁管的测试结果随机截取的时域波 形(图 4) 中,
15、难以分辨各次反射的信号,而相应的滤 波频谱则可看出明显的峰值,可用来很容易地计算 厚度。 稳定、 准确的检测结果表明仪器可测的最小厚 度可达0. 8mm。 图4 0. 8mm试管随机截取时域波形及其滤波频谱 5. 3 检测实用性分析 对1, 2号标准试管的测试主要用来验证仪器的 准确性,而实际生产中应用的换热管腐蚀严重,回波 信号噪声较大,对3号试管的测试旨在验证仪器对 实际粗糙表面管检测的有效性,重复测试结果表明 仪器对腐蚀严重的薄壁管的检测十分有效。 实验中使用的4号管是一段 4m 实际换热管, 管壁有轻微锈蚀,出厂标称壁厚2. 0mm ,用超声测 厚仪在管外壁多处测得厚度为2. 1mm(
16、误差0. 1 mm)。 实验中按现场检测步骤操作,以 4m ?m in的速 度送线,使声束对管壁进行螺线式全面扫查,检测结 果重复性好,数值与实际壁厚相符。 6 结束语 HY2188换热器内管壁厚超声测定仪是应实际 需求而研制的,具有携带方便、 易于操作、 结果准确、 345 田 浩等:换热器内管壁厚超声测定系统 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 第九届全国声发射学术研讨会征文通知 无损检测学会声发射专业委员会初定于2001 年9月在四川举行
17、第九届全国声发射学术研讨会, 会议由航天703所主办、 天津石化公司协办,现向全 国范围内从事声发射科研、 检测及相关工作的人员 征集有关声发射技术方面的论文。 征文范围 声发射检测技术进展评述 传感器:标定、 研制以及标准化等 声发射设备及声发射信号分析:系统标定、 信号处理以及时域和频域分析等 材料声发射和源特征表征:陶瓷材料、 复合 材料、 金属材料、 水泥、 岩石及木材等 结构检测中的应用:包括压力容器、 反应堆、 管道、 宇航结构及运输设备等 制造工艺监测:磨损监测、 焊接监测及机械 加工监测等 医学方面的应用 地质、 矿山、 民用建筑及地下工程等方面的 应用 其它新用途 投稿要求
18、论文摘要用中文打印在A 4纸上,请在论文题 目下面写明作者的姓名、 单位、 地址和邮编,摘要中 简要介绍论文的主要观点,字数在200字左右。 请将 论文摘要通过电子信箱、 传真或邮寄到第九届全国 声发射学术研讨会秘书处。论文的具体要求将在寄 发论文录用通知时一并告知。 期限 论文摘要截稿日期: 2001年3月31日 通知录用日期: 2001年4月31日 论文截稿日期: 2001年6月31日 联系地址 第九届全国声发射学术研讨会秘书处 地址:北京9200信箱73分箱16号 邮编: 100076 电话: (010)68383582 传真: (010)68383237 电子邮件: 703aeyeah
19、. net 联系人:王健 刘哲军 相关信息也可访问http:? ?w jian. top263. net (无损检测学会声发射委员会) 性能稳定的特点。多次实验和实际应用验证了仪器 的准确性、 重复性、 可靠性和实用性。 (1)传感器采用叶轮在前带动反射镜、 轴承和 超声探头在由弹簧片支撑的带有导水槽的壳体内的 结构,适于小直径长管内部检测。 (2)对长导线采用了旋转收放且与探头和仪器 的两联接端不扭结的送线机构,与传感器水枪一体 化,检测时只需两名操作员。 ( 3)采用频谱测厚方法,最小检测厚度可达 0. 8mm ,且在实测管表面状态不好的条件下仍能获 得理想结果。 (4)仪器采用高速采集和
20、实时频谱分析装置, 使频谱测厚方法能够满足现场实时检测的要求。 (5)软件设计人机界面汉化,且具有丰富的提 示和说明,易于操作。 (6)厚度分布结果以直方图、 饼图和数据表形 式同屏直观显示,易于评价换热管减薄状况,可打印 测试报告,对大批实测数据具有存档管理和后期索 引等功能。 针对当前检测对象特点, HY2188换热器内管 壁厚超声测定仪的结果以厚度分布形式给出,能够 满足换热管减薄状况评价的实际应用需要。 仪器目前不对各检测点准确定位,尚不能给出 管壁厚的断面图,下一步可通过由仪器控制的步进 电机驱动送线等方法加以改进。 参考文献 1 蒋危平,方 京.超声检测学.武汉:武汉测绘科技大学出
21、 版社, 1991. 223- 225 2 Paradis L , Serruys Y, Saglio R. U ltrasonic signal pro2 cessing for thickness measurements and detection of near2surface defects .M aterials Evaluation, 1986, 44 (10): 1344- 1349 3 Kinra V K,Iyer VR.U ltrasonic measurement of the thickness, phase velocity, density or attenuati
22、on of a thin2viscoelastic plate, Part?: the forward problem. U ltrasonics, 1995, 33(2): 95- 109 4 陶 良,田 浩等.应用声学, 1997, 16(6): 21- 25 收稿日期: 1998203229 445 第22卷第12期 2000年12月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 12 Dec. 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载